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Hans Hintzen Hans Laufenberg Ulrich Kurz Konstruieren, Gestalten, Entwerfen Ein Lehr- und Arbeitsbuch für das Studium der Konstruktionstechnik 2., überarbeitete Auflage Mit über 400 Abbildungen, sowie zahlreichen Tafeln und Tabellen und einem Anhang vieweg

Konstruieren, Gestalten, Entwerfen

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Page 1: Konstruieren, Gestalten, Entwerfen

Hans Hintzen Hans Laufenberg Ulrich Kurz

Konstruieren, Gestalten, Entwerfen Ein Lehr- und Arbeitsbuch für das Studium der Konstruktionstechnik

2., überarbeitete Auflage

Mit über 400 Abbildungen, sowie zahlreichen Tafeln und Tabellen und einem Anhang

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Page 2: Konstruieren, Gestalten, Entwerfen

VII

Inhaltsverzeichnis

1 Grundlagen des methodischen Konstruierens

1.1 Einführung 1 1.1.1 Das Problem 1 1.1.2 Das Funktionendenken 4

1.2 Die Arbeitsschritte des methodischen Konstruierens 7 1.2.1 Der Vorgehensplan 7 1.2.2 Das Analysieren der Aufgabe 9 1.2.3 Das Konzipieren 12 1.2.4 Das Entwerfen und Ausarbeiten 28 1.2.5 Die Aufbauübersicht - Stammbaum 34

1.3 Beispiele 35 1.3.1 Abstraktion der Gesamtfunktion 35 1.3.2 Umsatzgrößen 35 1.3.3 Erstellen der Anforderungsliste 36 1.3.4 Lösungsfindung 38

1.3.4.1 Handhabungssystem für Hülse 38 1.3.4.2 Lagerbock für axial verstellbare Seilrolle 47 1.3.4.3 Vorschubgetriebe einer Waagerecht-Kreissäge 49

1.3.5 Technische Bewertung 50 1.3.6 Wirtschaftliche Bewertung 53 1.3.7 Stärkediagramm 55

1.4 Aufgaben 59 1.4.1 Einführung in das methodische Konstruieren 59 1.4.2 Das Analysieren der Aufgabe 59 1.4.3 Das Konzipieren 59 1.4.4 Das Entwerfen und Ausarbeiten 61

1.5 Literatur 61 1.5.1 Zum Konzipieren und Entwerfen 61 1.5.2 Zum Ausarbeiten 62

2 Das werkstoffgerechte Gestalten

2.1 Die Festigkeitseigenschaften der Werkstoffe 65 2.2 Die Werkstoffkosten und die Wirtschaftlichkeit 65 2.3 Die Werkstoffwahl und die Fertigung 67 2.4 Die Werkstoffwahl und die Lebensdauer 68 2.5 Die Werkstoffwahl und der Leichtbau 69 2.6 Beispiele 70

Page 3: Konstruieren, Gestalten, Entwerfen

VIII Inhaltsverzeichnis

2.6.1 Ermittlung der Brutto-Werkstoffkosten 70 2.6.2 Werkstoffkenngröße für Kostenvergleich 70 2.6.3 Werkstoffausnutzung beim Schneiden 71 2.6.4 Fertigungsverfahren, Werkstoffwahl, Formgebung in Abhängigkeit von

der Stückzahl 73 2.6.5 Kenngröße für den Werkstoff-Leichtbau bei Knickung 73 2.6.6 Gewichtsvergleich eines Freiträgers als Schweiß- und Gusskonstruktion 74 2.6.7 Schneckengetriebegehäuse für Hängekran in Schweiß- und

Gussausführung 75 2.6.8 Revolvereinheit für Kunststoff-Spritzgießmaschine in Guss- und

Schmiede-Montagekonstruktion 76 2.6.9 Ölpumpenzahnrad für Lkw-Dieselmotor durch Zerspanen,

Sintern hergestellt 76 2.6.10 Werkstoffeinsparang durch Querschnittsoptimierung 77

2.7 Aufgaben 77 2.8 Literatur 78

3 Das festigkeitsgerechte Gestalten

3.1 Das Prinzip der direkten Krafteinleitung 80 3.2 Das Prinzip der konstanten Gestaltfestigkeit 83 3.3 Das Prinzip der minimalen Kerbwirkung 83 3.4 Das Prinzip der ausreichenden Steifigkeit 87 3.5 Das Prinzip der abgestimmten Verformung 91 3.6 Das Prinzip des Kraftausgleichs 94 3.7 Beispiele 95

3.7.1 Träger gleicher Biegespannung 95 3.8 Aufgaben 97 3.9 Literatur 102

4 Das fertigungsgerechte Gestalten

4.1 Das Gestalten von Gussteilen 103 4.1.1 Grundlagen 103 4.1.2 Allgemeintoleranzen und Bearbeitungszugaben für Gussteile 104 4.1.3 Spezifische Eigenschaften der verschiedenen Gusswerkstoffen 106 4.1.4 Die Gefügebildung von Gussteilen 108 4.1.5 Werkstoffbedingte Gestaltungsregeln 109 4.1.6 Verfahrensbedingte Gestaltungsregeln 113 4.1.7 Nachbehandlungsbedingte Gestaltungsregeln 115 4.1.8 Literatur 117

4.2 Das Gestalten von Sinterteilen 117 4.2.1 Allgemeines, Verfahrennach DIN 30900 117 4.2.2 Theoretische Grundlagen 119 4.2.3 Werkstoffe 120 4.2.4 Nachbehandlung 121

Page 4: Konstruieren, Gestalten, Entwerfen

Inhaltsverzeichnis IX

4.2.5 Formgestaltung, Anwendungsbeispiele 122 4.2.6 Literatur 130

4.3 Das Gestalten von Schmiede- und Fließpressteilen 130 4.3.1 Grundlagen 130 4.3.2 Allgemeine Gestaltungsregeln 130 4.3.3 Richtwerte für die Gestaltung von Gesenkschmiedestücken 135 4.3.4 Toleranzen und Oberflächengüte 135 4.3.5 Ermittlung der Toleranzen für Gesenkschmiedestücke 137 4.3.6 Gesenkschmiedestücke aus Stahl 140 4.3.7 Vergleich von Schmiede- und Gussstücken 146 4.3.8 Das Gestalten von Fließpressteilen 146 4.3.9 Literatur 148

4.4 Das Gestalten von Löt- und Schweißverbindungen 149 4.4.1 Lötverbindungen 149 4.4.2 Schweißverbindungen 154 4.4.3 Literatur 161

4.5 Das Gestalten von Blechteilen 162 4.5.1 Allgemeines 162 4.5.2 Schneiden 162 4.5.3 Umformen 167 4.5.4 Schneiden und Umformen 175 4.5.5 Fügen durch Umformen 179 4.5.6 Literatur 183

4.6 Das Gestalten von Kunststoffteilen 184 4.6.1 Allgemeines 184 4.6.2 Gestaltungsrichtlinien 187 4.6.3 Verarbeitungsverfahren 196 4.6.4 Fügen 199 4.6.5 Literatur 212

4.7 Beispiele 214 4.7.1 Verschiedene Verfahren mit den erforderlichen Fertigungsstufen

beim Gesenkschmieden 214 4.7.2 Fertigungsfolge beim Gesenkschmieden eines Hebels 215 4.7.3 Tellerrad für den Achsantrieb eines Lkw 215 4.7.4 Gebogener Hebel 218 4.7.5 Schalthebel für die Ventilsteuerung einer Entstaubungsanlage 220 4.7.6 Pneumatikventilteil 221 4.7.7 Fließgerechte Flanschbuchse 222 4.7.8 Streifenbildgestaltung, Blechformteil Lasche 223

4.8 Aufgaben 224 4.8.1 Das Gestalten von Gussteilen 224 4.8.2 Das Gestalten von Schmiede-und Fließpressteilen 226 4.8.3 Das Gestalten von Löt- und Schweißverbindungen 230 4.8.4 Das Gestalten von Blechteilen 232 4.8.5 Das Gestalten von Kunststoffteilen 233

Page 5: Konstruieren, Gestalten, Entwerfen

X

5 Das montagegerechte Gestalten

5.1 Einführung 235 5.1.1 Montageoperationen 236 5.1.2 Montagesysteme 238

5.2 Montageablaufanalyse 240 5.2.1 Produktaufbau und Fügesituation 240 5.2.2 Fügerangfolge 246

5.3 Produktgestaltung 247 5.3.1 Montagevermeidung 247 5.3.2 Integralbauweise 249 5.3.3 Fügeart 255

5.4 Literatur 261

6 Das recyclinggerechte Gestalten

6.1 Grundlagen, Definitionen 263 6.1.1 Recyclingkreisläufe 263 6.1.2 Nachwachsende Rohstoffe 264

6.2 Recyclinggerechte Produktgestaltung 266 6.2.1 Gestaltungsrichtlinien 266 6.2.2 Gestaltungsbeispiele 268

6.3 Recycling bei der Produktion 278 6.3.1 Produktionsrücklaufmaterial 278 6.3.2 Beispiele für die Verwertung von Produktionsabfällen 279

6.4 Recycling während des Produktgebrauchs 281 6.4.1 Demontage und Zerlegung 281 6.4.2 Aufarbeitungsbeispiele 283

6.5 Recycling nach Produktgebrauch 286 6.5.1 Materialaufbereitung 286 6.5.2 Beispiele für das^Materialrecycling 287

6.6 Literatur 289

7 Anhang

1 Grundlagen des methodischen Konstruierens Al-1 Grundoperationen und Elementarfunktionen von Maschinen, Apparaten

und Geräten 292 Al-2 Physikalische Effekte für die Elementarfunktion „Energie wandeln" . . 294 Al-3 Physikalische Effekte für die Elementarfunktion „Elektrische Energie

in mechanische Energie wandeln" 296 Al-4 Hauptschritte des methodischen Konstruierens 297 Al-5 Fragebogen für Anpassungs- und Variantenkonstruktionen 299 Al-6 Checkliste technischer Eigenschaften für das Sammeln von Informa­

tionen für die Erstellung der Anforderungsliste und für die technische Bewertung von Konstruktionen 300

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Inhaltsverzeichnis XI

Al-7 Formblatt zum Erstellen von Anforderungslisten 301 Al-8 Wichtige Elementarfunktionen für den Umsatz von Energie, Stoffen

und Signalen 301 Al-9 Lösungskatalog für die Funktion „Kraft einstufig mechanisch

vervielfältigen" 302 Al-10 Kostenschema für Zuschlagkalkulation 304 Al-11 Maßnahmen gegen Bedienungsfehler 305 Al-12 Empfehlungen für die Formgebung technischer Produkte 305 Al-13 Beispiele für Störgrößen 306 Al-14 Konstruktionsvorschriften 306

2 Das werkstoffgerechte Gestalten

Technische und wirtschaftliche Kenngrößen für die Werkstoff wahl

A2-1 Allgemeine Baustähle - DIN EN 10025 für Halbzeug und Schmiedestücke 307

A2-2 Vergütungsstähle und vergütbare Automatenstähle für Schmiedestücke und Halbzeug 308

A2-3 Einsatzstähle - DIN EN 10084 - und Nitrierstähle - DIN 17211 -für Schmiedestücke und Halbzeug 309

A2-4 Feinbleche kalt gewalzt 310 A2-5 Warmgewalztes Blech von 3 bis 250 mm Dicke -

Formnorm DIN EN 10029 311 A2-6 Geschweißte und nahtlose Rohre aus Stahl 312 A2-7 fey-Werte für Gussteile aus Eisenwerkstoffen 313 A2-8 fcy-Werte für Gesenkschmiedestücke aus Stahl 314 A2-9 NE-Schwermetalle für Bleche, Bänder, Stangen und Rohre 315 A2-10 &y-Werte für Gussteile aus NE-Schwermetallen 316 A2-11 Al-Knetlegierungen für Bleche, Bänder, Rohre und Stangen 317 A2-12 fe^-Werte für Gussteile aus NE-Leichtmetallen 318 A2-13 Kenngrößen bei Zug/Druck, Biegung und Torsion 320 A2-14 Prozentuale Materialkosten-Anteile 321 A2-15 Wichtige Werkstoffeigenschaften für oft angewendete

Fertigungsverfahren 322 A2-16 Übliche Betriebslebensdauer wichtiger technischer Produkte 323

3 Das festigkeitsgerechte Gestalten

A3-1 Gestaltungsbeispiele zur Kleinhaltung von Biegespannungen 324 A3-2 Gestaltungsbeispiele für Entlastungskerben an Achsen und Wellen . . . . 325 A3-3 Vergleich von im Leicht- und Stahlbau oft verwendeten geschlossenen

bzw. offenen Profilen 326 A3-4 Beispiele für den Ausgleich von nicht funktionsbedingten Nebenkräften 327

Page 7: Konstruieren, Gestalten, Entwerfen

Inhaltsverzeichnis

4 Das fertigungsgerechte Gestalten

A4.1-1 Guss-Allgemeintoleranz-Gruppe GTB nach DIN 1680 T2 (Auszug) . . . 328 A4.1-2 Bearbeitungszugaben BZ bei Gussstücken (GJL und GJS) bis 1000 kg

Gewicht und bis 50 mm Wanddicke nach DIN 1685 Tl und DIN 1686 Tl 329

A4.1-3 Formschrägen an Modellen nach DIN 1511 329 A4.1-4 Wanddickeneinfluss bei Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL) 329 A4.1-5 Werkstoffgerechte Gestaltungsbeispiele von Gussteilen 330 A4.1-6 Verfahrensgerechte Gestaltungsbeispiele von Gussteilen 331 A4.1-7 Bearbeitungsgerechte Gestaltungsbeispiele von Gussteilen 332 A4.1-8 Werkstoff- und verfahrensgerechte Gestaltungsbeispiele von

Feingussteilen 333 A4.2-1 Werkzeug- und verfahrensgerechte Gestaltungsbeispiele

von Sinterteilen 334 A4.2-2 Sintermetalle für Formteile; Auszug aus der DIN 30910 T4 336 A4.3-1 Werkzeug-, fertigungs- und bearbeitungsgerechte Gestaltungsbeispiele

von Gesenkschmiedeteilen 337 A4.3-2 Werte für Seitenschrägen von Innen- und Außenflächen;

nach DIN 7523, T2 338 A4.3-3 Bearbeitungszugabe z für Innen- und Außenflächen

an Gesenkschmiedeteilen 339 A4.3-4 Kantenrundungen, innere und äußere Hohlkehlen an

Gesenkschmiedeteilen 339 A4.3-5 Toleranzen und zul. Abweichungen für Längen-, Breiten- und

Höhenmaße (Durchmesser), Versatz, Außermittigkeit, Gratansatz und Anschnitttiefe nach DIN 7526 (Schmiedegüte F) 340

A4.3-6 Toleranzen und zul. Abweichungen für Dickenmaße und Auswerfer­marken nach DIN 7526 (Schmiedegüte F) 341

A4.3-7 Gestaltung von Gesenkschmiedeteilen; Bearbeitungszugaben, Rundungen und Seitenschrägen 342

A4.3-8 Gestaltungsbeispiele von Fließpressteilen 343 A4.4-1 Geschweiße Eckverbindungen 344 A4.5-1 Steg- und Randbreiten nach VDI-Richtlinie 3367 346 A4.5-2 Randabstände, Abstände von Innenformen bei Schnittteilen 348 A4.5-3 Gestaltungsbeispiele von Blechteilen; Fertigung durch Zerteilen 347 A4.5-4 Kleinste zulässige Biegeradien rimin für Bleche und dgl. aus

Stahl für 90°-Biegung 349 A4.5-5 Kleinste zulässige Biegeradien für 90°-Biegung 350 A4.5-6 Kleinste zulässige Biegeradien rimin für 90°-Biegung für Bleche und

Bänder aus NE-Metallen 350 A4.5-7 Gestaltungsbeispiele von Blechteilen; Fertigungsverfahren Biegen . . . . 351 A4.5-8 Gestaltungsbeispiele für das festigkeitsgerechte Anbringen von

Sicken an Blechteilen 353 A4.5-9 Werkstoffe zum Tiefziehen, erreichbares Ziehverhältnis 354 A4.5-10 Gebräuchliche Falzarten 354 A4.6-1 Gestaltungsbeispiele von Spritzguss- und Formpressteilen 355

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Inhaltsverzeichnis XIII

A4.6-2 Gestaltungsbeispiele von Bauteilen aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) 358

A4.6-3 Gestaltungsbeispiele von Kleb- und Schweißverbindungen an Kunststoffteilen 360

A4.6-4 Schwindung verschiedener Kunststoffe 361 A4.6-5 Kurzzeichen für Polymerwerkstoffe 362

5 Das montagegerechte Gestalten

A5.1-1 Gestaltungsbeispiele zur Verbesserung der Montageoperationen 363

6 Das recyclinggerechte Gestalten

A6.4-1 Demontagegerechte Gestaltungsbeispiele von Fügestellen 365 A6.4-2 Aufarbeitung im Vergleich zur Instandsetzung 366

Sachwortverzeichnis 367